Квантовая механика

При написании этой статьи у нашей команды из копирайтера, редактора, контент-менеджера и эксперта в области механики ушло 35 человеко-часов.

Что такое квант

🤔 Определение

Квант — это минимальная порция энергии, которая может быть поглощена или излучена физическим объектом.

В контексте квантовой механики это понятие связано с описанием явлений на уровне атомов и элементарных частиц. Кванты могут относиться не только к энергии, но и к другим величинам, например, к импульсу или моменту. Квантовая механика исследует поведение частиц в микромире, где проявляются необычные свойства, отличные от привычных в классической физике.

Что такое квантовая механика

🤔 Определение

Механика — это раздел физики, изучающий движение тел и взаимодействие между ними.

Она охватывает различные аспекты, включая:

• Классическую механику, которая изучает движение объектов, основываясь на законах Ньютона. Она рассматривает такие понятия, как сила, масса, скорость и ускорение, и применяется для описания движений тел в повседневной жизни, таких как движение автомобилей, планет или снарядов.
• Механика твердого тела, которая исследует свойства и поведение твердых тел, включая их деформации, прочность и устойчивость.
• Механика жидкостей и газов, которая изучает движение жидкостей и газов, а также их взаимодействие с твердыми телами.
• Небесная механика, которая исследует движения небесных тел и их взаимодействия, основанные на законах гравитации.

🤔 Определение

Квантовая механика — это раздел физики, изучающий поведение материи и энергии на уровне атомов и субатомных частиц.

Она отличается от классической механики тем, что описывает явления, которые не могут быть объяснены с использованием привычных концепций. Ключевые особенности квантовой механики включают:

• Квантование: энергия, импульс и другие физические величины могут принимать только определенные дискретные значения, называемые квантами.
• Волновая функция: описывает состояние системы и содержит всю информацию о вероятностях нахождения частиц в различных состояниях.
• Принцип неопределенности: согласно этому принципу, нельзя одновременно точно измерить положение и импульс частицы, что вводит элемент неопределенности в наше понимание микромира.
• Суперпозиция и запутанность: в квантовой механике частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно (суперпозиция), а также могут быть связаны таким образом, что состояние одной частицы зависит от состояния другой, независимо от расстояния между ними (квантовая запутанность).

Квантовая механика имеет важное применение в различных областях, включая физику, химию, материалы и технологии, такие как квантовые компьютеры и лазеры.

Квантовая механика отличается от классической механики тем, что она описывает поведение частиц не как четкие траектории, а как вероятностные распределения. В классической механике объекты движутся по предсказуемым путям, в то время как в квантовой механике вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства описывается волновой функцией. Это приводит к появлению таких явлений, как суперпозиция состояний и квантовая запутанность, которые кардинально изменяют наше понимание взаимодействия частиц.

История квантовой механики

История квантовой механики охватывает более века исследований и открытий, которые изменили наше понимание физического мира. Рассмотрим ключевые этапы развития этой науки.

1. Начало XX века: зарождение идей

В начале XX века физики столкнулись с явлениями, которые не могли быть объяснены классической физикой. Одним из первых шагов к созданию квантовой механики стало открытие Макса Планка в 1900 году, который предложил идею квантования энергии. Планк предположил, что энергия излучается и поглощается порциями, или квантами, и это явление объясняло спектр излучения черного тела.

2. Фотоэффект и теория квантов

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, предложив, что свет состоит из квантов энергии, названных фотонами. Эта работа подтвердила концепцию квантования и показала, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

3. Формирование квантовой теории

В 1913 году Нильс Бор представил свою модель атома, в которой электроны движутся по дискретным орбитам вокруг ядра, и только определенные энергии возможны для этих орбит. Эта модель успешно объясняла спектр водорода, но имела свои ограничения.

4. Развитие квантовой механики

В 1920-х годах ряд ученых, включая Вернера Гейзенберга, Эрвина Шредингера и Пауля Дирака, разработали основные принципы квантовой механики. В 1925 году Гейзенберг предложил матричную механику, а Шредингер в 1926 году разработал волновую механику и представил уравнение Шредингера, которое стало основным уравнением квантовой механики.

5. Принцип неопределенности

В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, который утверждает, что нельзя одновременно точно измерить положение и импульс частицы. Этот принцип стал одной из основ квантовой механики и поставил под сомнение классические представления о детерминизме.

6. Развитие и приложения

С начала 1930-х годов квантовая механика начала применяться в различных областях, включая химию, физику твердого тела и технологии. В это время возникли теории, такие как квантовая электродинамика (КЭД), которая описывает взаимодействие света и материи, а также квантовая хромодинамика (КХД), описывающая взаимодействия кварков и глюонов.

7. Современные исследования

Современные исследования квантовой механики продолжаются, включая такие области, как квантовая информация, квантовые вычисления и квантовая криптография. Открытие гравитационных волн в 2015 году также подтвердило предсказания общей теории относительности, связывая их с квантовыми эффектами.

История квантовой механики — это путь от ранних теоретических идей до современной науки, которая глубоко влияет на наше понимание природы и технологии. Квантовая механика продолжает развиваться, открывая новые горизонты в исследовании микромира и предоставляя возможности для дальнейших открытий.

Уравнение Шредингера 

Уравнение Шредингера, представленное Эрвином Шредингером в 1925 году, стало основой квантовой механики. Оно описывает, как волновая функция системы изменяется во времени. Волновая функция содержит всю информацию о состоянии частицы и позволяет вычислить вероятность ее нахождения в определенной точке пространства. Уравнение выглядит следующим образом:

,

где:

•  —  редуцированная постоянная Планка,
• — волновая функция, 

• — оператор Гамильтона, который описывает общую энергию системы.

Это уравнение позволяет предсказать поведение квантовых систем и служит основой для дальнейших исследований.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Принцип неопределенности — это ключевая концепция в квантовой механике, сформулированная Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Этот принцип показывает, что невозможно одновременно точно измерить определенные пары физических величин, такие как положение и импульс частицы. Чем точнее мы определяем одну из этих величин, тем менее точно мы можем измерить другую.

Основные аспекты принципа неопределенности:

1. Положение и импульс. Гейзенберг показал, что существует фундаментальное ограничение на точность измерений. Например, если мы точно определяем положение частицы, ее импульс, мощность и направление движения становится неопределенным. Обратное также верно: если мы знаем импульс частицы, положение становится менее определенным.

2. Формулировка. Принцип неопределенности можно выразить математически следующей формулой:

, 

где:

• — неопределенность в положении,
• — неопределенность в импульсе,
  
• —редуцированная постоянная Планка . 

Эта формула показывает, что произведение неопределенностей в положении и импульсе всегда больше или равно определенной константе.

3. Философские последствия. Принцип неопределенности бросает вызов классическим представлениям о детерминизме. В классической физике считалось, что если известны начальные условия системы, можно точно предсказать ее будущее состояние. В квантовой механике это становится невозможным, что ведет к изменению нашего понимания природы.

4. Квантовая природа. Принцип неопределенности подчеркивает, что на микроскопическом уровне частицы не имеют определенных положений и импульсов, а описываются вероятностными распределениями. Это открывает путь к новым явлениям, таким как суперпозиция состояний и квантовая запутанность.

Принцип неопределенности Гейзенберга является одним из краеугольных камней квантовой механики. Он не только объясняет фундаментальные ограничения в измерениях на субатомном уровне, но и изменяет наше понимание реальности. Эта концепция играет важную роль в современных исследованиях в области физики, квантовой информатики и других технологий.

Квантовая механика представляет собой важную и революционную область физики, которая изменила наши представления о материи и энергии. Основные концепции, такие как квант, волновая функция и принцип неопределенности, помогают нам лучше понять сложные явления в микромире.